Thiết kế và chế tạo robot delta phân loại kẹo

Chương này cũng sẽ xây dựng nguyên lý làm việc cho robot từ đó tạo ra sơ đồ thuật toán và áp dụng vào chương trình điều khiển cho vi điều khiển cũng như xây dựng giao diện giao tiếp giữa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Đà Nẵng, 6/2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

I Thông tin chung:

1 Họ và tên sinh viên: TRẦN ĐÌNH HUY Số thẻ sinh viên: 101140185

NGUYỄN QUANG ĐẠT 101140178

3 Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại kẹo

4 Người hướng dẫn: VÕ NHƯ THÀNH Học hàm/ học vị: Tiến sĩ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

V Thông tin chung:

5 Họ và tên sinh viên: TRẦN ĐÌNH HUY Số thẻ sinh viên: 101140185

NGUYỄN QUANG ĐẠT 101140178

6 Lớp: 14CDT2

7 Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại kẹo

VI Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:

tối đa

Điểm trừ

Điểm còn lại

1 Sinh viên có phương pháp nghiên cứu phù hợp, giải

1a - Hiểu và vận dụng được kiến thức Toán và khoa học tự nhiên trong vấn đề nghiên cứu 15

1b - Hiểu và vận dụng được kiến thức cơ sở và chuyên ngành trong vấn đề nghiên cứu 25

1c - Có kỹ năng vận dụng thành thạo các phần mềm mô phỏng, tính toán trong vấn đề nghiên cứu 10

1d - Có kỹ năng đọc, hiểu tài liệu bằng tiếng nước ngoài ứng dụng trong vấn đề nghiên cứu 10

1e - Có kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng giải quyết vấn đề 10

1f - Đề tài có giá trị khoa học, công nghệ; có thể ứng dụng thực tiễn: 10

2a - Bố cục hợp lý, lập luận rõ ràng, chặt chẽ, lời văn súc tích 15

2b - Thuyết minh đồ án không có lỗi chính tả, in ấn, định dạng 5

3 Tổng điểm đánh giá: theo thang 100

Quy về thang 10 (lấy đến 1 số lẻ)

3 Các tồn tại, thiếu sót cần bổ sung, chỉnh sửa:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

CÂU HỎI PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

I Thông tin chung:

1 Họ và tên sinh viên: TRẦN ĐÌNH HUY Số thẻ sinh viên: 101140185

NGUYỄN QUANG ĐẠT 101140178

2 Lớp: 14CDT2 3 Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot Delta phân loại kẹo 4 Người phản biện: Học hàm/ học vị: II Các câu hỏi đề nghị sinh viên trả lời 1 ……….……….…… ………

………

2 ……… ………

………

Đáp án: (người phản biện ghi vào khi chấm và nộp cùng với hồ sơ bảo vệ) 1 ……….……….…… ………

………

………

………

2 ……… ………

………

………

………

………

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2019 Người phản biện

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DELTA PHÂN LOẠI KẸO

Họ và tên sinh viên: TRẦN ĐÌNH HUY Số thẻ sinh viên: 101140185

NGUYỄN QUANG ĐẠT 101140178 Lớp : 14CDT2

Nội dung đồ án này đề cập cơ sở lý thuyết về phương pháp phân tích, tính toán động học, động học ngược và điều khiển robot Delta có kết hợp xử lý ảnh Dựa trên những phương pháp cơ bản đó ta đi vào thiết kế và chế tạo một trong những mẫu robot điển hình là robot Delta để có cái nhìn toàn diện hơn về loại robot đang rất được chú trọng phát triển trong công nghiệp hiện nay

Chương 1: Tổng quan về robot Delta Chương này chủ yếu cung cấp cho người đọc cái nhìn ban đầu về robot Delta, từ lịch sử phát triển, đến lợi thế của nó so với các robot

thông thường khác, các ứng dụng của nó trong đời sống và trong công nghiệp, đồng thời cũng khái quát sơ đồ tổng quan về hệ thống, đặt ra vấn đề để xây dựng robot Delta ứng dụng trong công nghiêp

Chương 2: Tính toán và thiết kế cơ khí Chương này, ta sẽ phân tích cấu trúc lựa chọn

phương án thiết kế cũng như tính toán thiết kế dẫn động cho robot và giải quyết các vấn

đề cơ bản nhất của động học Robot song song Delta như tính toán động học thuận, động học ngược trên cơ sở các phương trình liên kết bằng phương pháp hình học

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển Chương này giải quyết các vấn đề liên quan

đến việc chọn dòng vi điều khiển trung tâm và các modun thích hợp mạch điều khiển cho robot cũng như thiết kế mạch điện điều khiển nhằm đảm bảo các chức năng cơ bản của robot

Chương 4: Xây dựng chương trình điều khiển Chương này giới thiệu các lý thuyết cơ

bản về xử lý ảnh nói chung cũng như các bước chính trong xử lý ảnh nói riêng, xây dựng phương trình bắt điểm trên băng tải để áp dụng vào chương trình điều khiển Chương này cũng sẽ xây dựng nguyên lý làm việc cho robot từ đó tạo ra sơ đồ thuật toán và áp dụng vào chương trình điều khiển cho vi điều khiển cũng như xây dựng giao diện giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển nhằm giúp robot thực hiện theo đúng theo nguyên

lý, sơ đồ thuật toán hoạt động của robot Delta

Chương 5: Thảo luận và phương hướng phát triển đề tài Chương này là đánh giá kết

luận và rút ra hạn chế kinh nghiệm để có hướng phát triển đề tài

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2 Nguyễn Quang Đạt 101140178 14CDT2 Cơ Điện Tử

1 Tên đề tài đồ án:

Thiết kế và chế tạo Robot Delta phân loại kẹo

2 Đề tài thuộc diện:

☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

a Phần chung:

1 Trần Đình Huy - Tìm hiểu một số loại robot Delta ngoài thực tế và

1 Trần Đình Huy Tìm hiểu code điều khiển

2 Nguyễn Quang Đạt Tính toán hệ thống dẫn động, hoàn thành thuyết minh

5 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

a Phần chung:

1 Trần Đình Huy Bản vẽ lắp ráp băng tải A0

Bản vẽ lắp ráp Delta Robot A0 Bản vẽ lưu đồ thuật toán A0

2 Nguyễn Quang Đạt

b Phần riêng:

1 Trần Đình Huy Hai bản vẽ chi tiết A0

2 Nguyễn Quang Đạt Bản vẽ sơ đồ mạch A0

3 Trần Đình Huy Bảng vẽ sơ đồ động A0

4 Nguyễn Quang Đạt Bản vẽ tổng thể A0

Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã và đang một ngày thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của

con người đạt hiệu quả

Có thể nói rằng Robot mang tới cho cuộc sống con người một cuộc sống mới, một cách trải nghiệm cuộc sống và đôi khi còn là người bạn Những hãng Robot từ các nước nổi tiếng trên thế giới từ Đức, Nhật Bản, Nga, Hoa Kỳ ngày một khẳng định sự hiện diện của robot là phần không thiếu trong cuộc sống hiện nay và tương lai của phía trước Nó xuất hiện ở tất cả các lĩnh vực từ khoa học vĩ mô cho tới vi mô và ngày một

đa dạng

Sau một thời gian học tập và rèn luyện, với sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của

thầy giáo TS Võ Như Thành, cùng sự trợ giúp của các quý thầy cô bộ môn và các tài

liệu có liên quan, mà em có thể hoàn thành xong đề tài

Đề tài đã hoàn thành xong, nhưng không thể tránh nhiều thiếu sót mong quý thầy

cô giáo thông cảm và chỉ bảo thêm để đề tài có thể phát triển và ứng dụng rộng rãi trong thực tế

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các quý thầy cô!

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Quang Đạt Trần Đình Huy

Kính gửi: - Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa

- Khoa Cơ khí Tôi tên là : TRẦN ĐÌNH HUY Số thẻ sinh viên: 101140185

NGUYỄN QUANG ĐẠT Số thẻ sinh viên: 101140178

Đề tài: Thiết kế và chế tạo Robot Delta phân loại kẹo

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng chúng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cám

ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2019

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Quang Đạt Trần Đình Huy

Tóm tắt

Lời nói đầu và cảm ơn i

Lời cam đoan liêm chính học thuật ii

Mục lục iii

Danh sách các bảng biểu, hình vẽ và sơ đồ vi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 3

1.1GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT DELTA 3

1.1.1Khái niệm cơ bản 3

1.1.2Ứng dụng của robot Delta 4

1.2GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BĂNG TẢI 7

1.2.1Giới thiệu chung 7

1.2.2Ưu điểm của băng tải 7

1.2.3 Cấu tạo chung của băng tải 7

1.2.3Các loại băng tải trên thị trường hiện nay 8

1.2.4 Giới thiệu băng tải dùng trong mô hình 8

1.3TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 10

1.3.1Cấu trúc cơ bản 10

1.3.2Đặt vấn đề 11

1.4KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 12

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ 13

2.1 PHÂN TÍCH CẤU TRÚC ROBOT DELTA 13

2.1.1 Lựa chọn cấu trúc 13

2.1.2 Cơ cấu dẫn động của động cơ 14

2.1.3 Hệ khớp dẫn động 14

2.1.4 Hệ hình bình hành 15

2.1.5 Gá động cơ 15

2.1.6 Gá cơ cấu chấp hành 16

2.1.7 Bơm hút chân không 17

2.2 PHÂN TÍCH CẤU TRÚC BĂNG TẢI 18

2.2.1 Đĩa xích 19

2.2.2 Bộ truyền xích 19

2.2.3 Ổ bi Φ10 mm 20

2.2.4 Gá cơ cấu chấp hành 20

2.2.5 Ống tang Φ42 mm 21

2.4 THIẾT KẾ BĂNG TẢI 23

2.5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG 23

2.6 ĐỘNG HỌC ROBOT 24

2.6.1 Số bậc tự do của Robot Delta 25

2.6.2 Động học thuận 26

2.6.3 Động học ngược Robot 28

2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 31

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 32

3.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 32

3.2 CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH TRONG BỘ ĐIỀU KHIỂN 32

3.2.1 Bộ điều khiển 32

3.2.2 Driver A4988 34

3.2.3 Động cơ bước 35

3.2.3 Bơm hút chân không 36

3.2.4 Công tắc hành trình 36

3.3 SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI DÂY 37

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 38

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 39

4.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM VISUAL STUDIO VÀ THƯ VIỆN EMGU 39

4.1.1 Giới thiệu phần mềm Visual Stuio 39

4.1.2 Giới thiệu thư viện Emgu 39

4.2 LÝ THUYẾT XỬ LÝ ẢNH 40

4.2.1 Các kiểu ảnh cơ bản 40

4.2.2 Quy trình xử lý ảnh 40

4.2.3 Một số hàm xử lý ảnh dùng thư viện EmguCV 41

4.3 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH BẮT ĐIỂM TRÊN BĂNG TẢI 42

4.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 43

4.5 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 44

4.5.1 Lưu đồ thuật toán xử lý ảnh 44

4.5.2 Lưu đồ thuật toán trên Arduino 45

4.6 CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM 46

4.6.1 Chương trình mạch điều khiển trên Arduino 46

4.6.2 Lập trình giao diện trên Visual Studio 46

4.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 47

CHƯƠNG 5 THẢO LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 48

5.1 NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 49

5.2 CÁC HẠN CHẾ TRONG QUÁ TRÌNH LÀM VÀ HƯỚNG GIẢI QUYẾT 49

5.2.1 Các hạn chế 49

5.3 CÁC HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

PHỤ LỤC 1 CHƯƠNG TRÌNH TRONG ARDUINO MEGA 52

PHỤ LỤC 2 CHƯƠNG TRÌNH TRONG VISUAL STUDIO 55

Bảng 1.1 Danh sách các loại băng tải 8

Bảng 3.1 Bảng thông số cơ bản của Arduino Mega 2560 33

Bảng 3.2: Bảng thông số 5 chế độ của Driver A4988 34

Hình 1.1 Robot Delta 3

Hình 1.2 Robot Delta ứng dụng trong công nghệ thực phẩm 4

Hình 1.3 Robot Delta trong phẫu thuật y học 5

Hình 1.4 Robot song song kiểu Stewwart 5

Hình 1.5 Cấu trúc chấp hành song song 3RPS 6

Hình 1.6 Cấu tạo chung của băng chuyền 7

Hình 1.7 Băng tải mô hình thiết kế trên solidworks 9

Hình 1.8 Hình ảnh băng tải thực tế 9

Hình 1.9 Thành phần hệ thống robot 10

Hình 2.1 Cấu trúc Robot Delta 13

Hình 2.2 Cơ cấu dẫn động trực tiếp 14

Hình 2.3 Hệ khớp dẫn động 14

Hình 2.4 Hệ hình bình hành 15

Hình 2.5 Gá động cơ 15

Hình 2.6 Bàn máy di động 16

Hình 2.7 Bàn máy cố định 16

Hình 2.8 Bơm hút chân không 17

Hình 2.9 Cấu trúc của băng tải 18

Hình 2.10 Đĩa xích 19

Hình 2.11 Bộ truyền xích 19

Hình 2.12 Ổ bi Φ10 mm 20

Hình 2.13 Gá cơ cấu chấp hành 20

Hình 2.14 Ống tang Φ42 mm 21

Hình 2.15 Gá hộp Camera 21

Hình 2.16 Gá trục tang 22

Hình 2.17 Mô hình không gian thiết kế trên solidworks 22

Hình 2.18 Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E 24

Hình 2.19: Ký hiệu các tham số tính toán 25

Hình 2.20 Hình chiếu lên mặt phẳng OXY 27

Hình 2.21 Ký hiệu các tham số tính toán 29

Hình 2.23 Ký hiệu tọa độ tính toán 30

Hình 3.1 Sơ đồ đấu nối hệ thống điều khiển 32

Hình 3.2 Module Arduino Mega 2560 33

Hình 3.3 Driver A4988 34

Hình 3.4 Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E 35

Hình 3.5 Bơm hút chân không 36

Hình 3.6 Sơ đồ đấu nối dây 37

Hình 4.1 Tọa độ bắt điểm 42

Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán xử lý ảnh 44

Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán trên Arduino 45

Hình 4.4 Chương trình chính mạch điều khiển 46

Hình 4.5 Giao diện xử lý dữ liệu trên Visual Studio 47

Hình 5.1 Sản phẩm kẹo để phân loại 48

Hình 5.2 Mô hình Robot Delta lúc gắp sản phẩm 48

kỹ thuật ô tô, công nghệ hàn, công nghệ đúc, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi và lắp ráp sản phẩm

Về mặt cơ học, robot song song là hệ nhiều vật có cấu trúc vòng động học kín có cấu trúc động học phức tạp, khó thiết kế và điều khiển Tuy vậy, mà robot song song có thể thực hiện các thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính xác cao Vì vậy, việc đi sâu vào nghiên cứu động lực học và điều khiển robot song song trong việc phân loại sản phẩm là một vấn đề khoa học và có ý nghĩa thực tế

Mục tiêu nghiên cứu:

Mục tiêu là xây dựng được mô hình cơ học và mô hình toán học, xây dựng các thuật toán điều khiển cho robot song song Delta là cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo robot song song Delta

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu: Động lực học và điều khiển robot song song Delta Phạm vi nghiên cứu: Để có thể xây dựng được đề tài ta cần phải nắm rõ được cơ

sở lý thuyết về phương pháp phân tích, tính toán động học, động học ngược và kỹ thuật

xử lý ảnh, đồng thời với các kiến thức liên quan đến tính toán thiết kế cơ khí, mạch điều khiển, lập trình vi điều khiển cũng như công nghệ máy tính mới có thể đưa những lý thuyết cốt lõi thành mô hình thực tế đáp ứng được các nguyên lý hoạt động đề ra

Phương pháp nghiên cứu:

Đề tài kết hợp nghiên cứu giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm:

- Nghiên cứu lý thuyết:

+ Tổng hợp tài liệu về tính toán động học thuận và ngược của robot delta, từ đó xây dựng thuật toán giải bài toán động học thuận và động học ngược

+ Tính toán thiết kế mô hình cơ khí cho robot đảm bảo độ chính xác

và độ cứng vững cần thiết, đáp ứng nhu cầu điều khiển chính xác

- Nghiên cứu thực nghiệm:

Chế tạo mô hình thực nghiệm robot Delta và điều khiển chính xác

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

Đề tài mang nhiều ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

+ Tạo tiền đề cho việc chế tạo các robot Delta ứng dụng vào thực tế: robot lắp ráp sản phẩm trong các hệ thống sản xuất, robot nâng chuyển

+ Góp phần xây dựng mô hình dạy học về điều khiển tự động đối với robot công nghiệp tại các trường Cao đẳng và Đại học

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT DELTA

1.1.1 Khái niệm cơ bản

Robot Delta được phát minh trong đầu thập niên 80 ở Thụy Sĩ của giáo sư Reymond Clavel và đã được nhận Bằng sáng chế Hoa Kỳ 4.976.582, dưới đây là robot công nghiệp thực tế của hãng ABB như hình 1.1a

Lợi thế cốt lõi của robot Delta là tốc độ Các loại cánh tay robot thông thường phải

di chuyển không chỉ tải trọng, mà còn tất cả các động cơ servo trong mỗi phần, trong khi đó phần duy nhất chuyển động của robot Delta là khung của nó, mà thường được làm bằng vật liệu composite nhẹ Do tốc độ của nó, robot Delta được sử dụng rộng rãi trong hoạt động di chuyển các vật thể tương đối nhẹ

1.1.2 Ứng dụng của robot Delta

a) Ứng dụng trong công nghiệp

Một loại robot được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp là robot Delta Robot Delta được sáng chế bởi Reymond Clavel vào đầu thập niên 1980 với ý tưởng là dùng các hình bình hành để chế tạo robot song song có 3 bậc tự do chuyển động tịnh tiến và một bậc chuyển động quay Robot Delta đã nhận được 36 bằng phát minh, trong đó có những bằng sáng chế quan trọng như của WIPO (WO 87/03528 cấp này 18/06/1987), bằng sáng chế Hoa Kỳ (US 4,976,582 cấp ngày 11/12/1990) và bằng sáng chế châu Âu (EP 0 250 470 cấp ngày 17/07/1991) Robot Delta được dùng trong dây chuyền đóng gói thực phẩm, làm thiết bị nâng gắp…

Hình 1.2 Robot Delta ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

b) Ứng dụng trong y học

Công ty Elekta (Thụy Điển), một công ty chuyên về các trang thiết bị y tế đã dùng robot Delta để làm thiết bị nâng giữ kính hiển vi có khối lượng 20 kg dùng trong việc giải phẫu

Hình 1.3 Robot Delta trong phẫu thuật y học

c) Các ứng dụng khác

Phòng thí nghiệm PCR tại Đại học kỹ thuật Shaif đã thiết kế, mô phỏng, phân tích động học và chế tạo một loại tay máy song song dùng để leo cột điện thay bóng đèn thay cho công nhân Đây là loại robot có 3 chuỗi động học, mỗi chuỗi động học được

bố trí các khớp là UPU (U là khớp Cardan, P là khớp trượt)

Hình 1.4 Robot song song kiểu Stewwart

Một trong những công trình đầu tiên là của Stewart năm 1965, trong đó ông đã giới thiệu cách sử dụng các cấu trúc song song cho việc mô phỏng bay Kể từ đó nhiều phiên bản của bệ này đã được đề xuất và nghiên cứu

Một robot song song rất phổ biến là robot Delta Đặc điểm nổi bậc của các robot này

là ở chổ bàn máy động chuyển động tịnh tiến nhờ các cơ cấu hình bình hành Đặc điểm

này cùng với độ cứng vững cao, loại robot song song Delta ngày càng được sử dụng nhiều trong công nghệ in 3D

Robot song song 3RPS thường được thiết kế để mang phôi gia công và lắp đặt trên bàn gá phôi của máy phay Ba chân với chiều dài có thể thay đổi được nhờ các xilanh thủy lực do đó khâu thao tác sẽ mang phôi chuyển động theo một quỹ đạo xác định trước Hai đầu của các chân một đầu được liên kết với đế cố định bằng khớp bản lề và một đầu liên kết khâu thao tác bằng khớp cầu Ưu điểm của robot này là khối lượng nhỏ, cấu trúc nhỏ gọn, độ cứng vững cao, có 3 bậc tự do và độ chính xác cao

Hình 1.5 Cấu trúc chấp hành song song 3RPS

1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BĂNG TẢI

1.2.1 Giới thiệu chung

Băng tải thường được dùng để di chuyển các vật liệu đơn giản và vật liệu rời theo phương ngang và phương nghiêng Trong các dây chuyền sản xuất, thiết bị này được sử dụng rộng rãi như một phương tiện để vận chuyển các cơ cấu nhẹ, trong các xưởng luyện kim dùng để vận chuyển quặng, than đá, các loại xỉ lò Ở trạm thủy điện, băng tải được

sử dụng để vận chuyển nhiên liệu

1.2.2 Ưu điểm của băng tải

- Cấu tạo đơn giản, bền, có khả năng vận chuyển rời và đơn chiếc theo các hướng nằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp giữa nằm ngang và nằm nghiêng

- Vốn đầu tư không lớn lắm, có thể tự động được, vận hành đơn giản, bảo dưỡng dễ dàng, làm việc tin cậy, năng suất cao và tiêu hao năng lượng so với máy vận chuyển khác không lớn lắm

1.2.3 Cấu tạo chung của băng tải

Hình 1.6 Cấu tạo chung của băng chuyền

1 Bộ phận kéo cùng các yếu tố làm việc trực tiếp mang vật

2 Trạm dẫn động, truyền chuyển động cho bộ phận kéo

3 Bộ phận căng, tạo và giữ lực căng cần thiết cho bộ phận kéo

4 Hệ thống đỡ (con lăn, giá đỡ ) làm phần trượt cho bộ phận kéo và các yếu

tố làm việc

1.2.3 Các loại băng tải trên thị trường hiện nay

Khi thiết kế hệ thống băng tải vận chuyển sản phẩm đến vị trí phân loại có thể lựa chọn một số băng tải sau:

Bảng 1.1 Danh sách các loại băng tải

Băng tải dây đai < 50kg Vận chuyển từng chi tiết giữa các nguyên công hoặc

vận chuyển thùng chứa trong gia công cơ và lắp ráp Băng tải lá 25 - 125kg Vận chuyển chi tiết trên vệ tinh trong gia công

chuẩn bị phôi và trông lắp ráp

Băng tải thanh

đẩy

50 – 250kg Vận chuyển các chi tiết lớn giữa các bộ phận trên

khoảng cách > 50m

Băng tải con lăn 30 – 500kg Vận chuyển chi tiết trên các vệ tinh giữa các nguyên

công với khoảng cách < 50m

1.2.4 Giới thiệu băng tải dùng trong mô hình

Do băng tải dùng trong hệ thống làm nhiệm vụ vận chuyển sản phẩm nên trong

mô hình đồ án đã lựa chọn loại băng tải dây xích để mô phỏng cho hệ thống dây chuyền trong nhà máy với những lý do sau đây:

- Tải trọng băng tải không quá lớn

- Kết cấu cơ khí không quá phức tạp

- Dễ dàng thiết kế chế tạo

- Có thể dễ dàng hiệu chỉnh băng tải

Tuy nhiên loại băng tải này cũng có một vài nhược điểm như độ chính xác khi vận chuyển không cao, đôi lúc băng tải hoạt động không ổn định do nhiều yếu tố: sự co giản của dây xích và của băng tải

Hình 1.7 Băng tải mô hình thiết kế trên solidworks

Hình 1.8 Hình ảnh băng tải thực tế

1.3 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

1.3.1 Cấu trúc cơ bản

Hệ thống robot Delta được xây dựng từ các thành phần chính như: các khâu robot,

hệ thống dẫn động, máy tính, dụng cụ thao tác……Mối liên hệ giữa các thành phần của robot được thể hiện như hình 1.9

Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ thao tác của robot

ở đây ta dùng bơm hút chân không để hút và nhả vật thể trên băng tải hoặc ở các khu vực khác do người điều khiển quy định

Các khâu robot là kết cấu cơ khí gồm các khâu động, khâu bị động, bàn máy động liên kết với nhau bằng khớp cầu tạo nên hình dáng và các chuyển động cơ bản của robot

Hệ thống dẫn động là các động cơ bước, servo, tạo nên sự chuyển động của robot

Bộ điều khiển thực hiện việc truyền nhận dữ liệu điều khiển từ máy tính và giải

mã tín hiệu đồng thời thực hiện tính toán động học ngược robot truyền tín hiệu điều khiển đến các driver điều khiển động cơ để thực hiện điều khiển góc quay cho động cơ

Bộ điều khiển còn thực hiện nhận các tín hiện phản hồi của các công tắc hành

Máy

Tính(CPU)

Bộ Điều Khiển Hệ thống dẫn động Các khâu robot

Máy tính (CPU) tiến hành nhận dữ liệu từ bộ điều khiển và dữ liệu ảnh từ camera

để tiến hành xử lý ảnh tìm ra tọa độ ban đầu của vật thể để giải phương trình bắt điểm tìm ra tọa độ của vật thể sau khoảng thời gian t (t là khoảng thời gian mà camera nhận diện được vật đến khi tới cánh tay robot), từ đó tự động tạo ra mã điều khiển, đồng thời cũng nhận các tín hiệu và chương trình từ người vận hành, các chương trình này thể hiện

vị trí làm việc mong muốn cho robot được viết theo mã mà hệ thống quy định Các mã điều khiển này bao gồm hai loại chính: tín hiệu điều khiển cứng như các nút nhấn start/stop, mã lấy tọa độ vị trí …và mã điều khiển mở Tín hiệu điều khiển cứng này được truyền tức thời khi có nhấn nút trên giao diện giao tiếp, còn mã điều khiển mở là

mã được hệ thống quy định nhưng người vận hành có thể nhập vào thông qua giao diện giao tiếp tùy theo yêu cầu làm việc cho robot các mã điều khiển này được truyền tuần

tự đến bộ điều khiển để bộ điều khiển tiến hành xử lý như đã nêu

Chương trình giao tiếp và điều khiển được viết ra nhằm thực hiện tính toán các phương trình, giao tiếp giữa người vận hành với hệ thống điều khiển và thực hiện các nguyên lý đề ra Chương trình giao tiếp và điều khiển bao gồm chương trình giao tiếp trên máy tính Cuối cùng Chúng ta cần giải phương trình động học robot và tìm ra tọa

độ x0, y0 và z0

Chúng ta nên chọn gốc có góc Ɵ nhỏ nhất Ɵ1= Ɵ2= Ɵ3= 0 Để xét vị trí gốc ban đầu tìm được tọa độ E0(x0,y0,z0)

(CPU) và chương trình điều khiển cho bộ điều khiển Chương trình giao tiếp trên máy tính(CPU) được tạo ra nhằm nhận truyền dữ liệu điều khiển, thực hiện xử lý ảnh từ

dữ liệu ảnh nhận về để tìm ra tọa độ điểm cần bắt, để robot thực hiện tự động bắt vật thể đang di chuyển ở vị trí bất kỳ trên băng tải, đồng thời có thể đưa vật thể đến vị trí mà người vận hành quy định Chương trình điều khiển cho bộ điều khiển thực hiện giải mã các dữ liệu từ máy tính (CPU) truyền qua, tính toán động học robot điều khiển hệ thống dẫn động để thực hiện các chức năng nguyên lý đề ra cho robot

1.3.2 Đặt vấn đề

Nếu chúng ta muốn xây dựng robot Delta ứng dụng trong công nghiệp Chúng ta cần phải xây dựng robot có thể chạy theo bất cứ hành trình nào mà người sử dụng cài đặt bằng các mã đơn giản do hệ thống quy định thông qua giao diện giao tiếp trên máy tính mà không cần can thiệp chỉnh sửa phần mềm Ngoài ra, để nâng cao thêm chức năng tự động phân loại hay tự động gắp vật thể trên băng tải, nhưng vật thể này là luôn

di chuyển (tức băng tải không dừng) và nằm ở vị trí bất kỳ trên băng tải rộng thì chúng

ta cần phải kết hợp với camera Khi kết hợp với camera, chương trình máy tính tiến hành đếm số lượng, phân loại theo màu sắc và tìm tọa độ vật thể đang di chuyển trên băng

tải, từ đó tạo robot vẫn bắt được vật thể ở vị trí bất kỳ trên băng tải rộng dù băng tải không dừng, thông qua tọa độ điểm tìm được, đồng thời vẫn đưa vật thể đến vị trí có thể cài đặt được thông qua giao diện giao tiếp Để có thể thực hiện các yêu cầu đề ra ta cần phải giải quyết các vấn đề sau:

• Thứ nhất, nếu chúng ta biết được vị trí mong muốn của cơ cấu chấp hành (ví dụ chúng ta muốn gắp vật ở điểm có tọa độ (X, Y, Z), chúng ta cần phải xác định góc tương ứng của mỗi tay (góc của khâu chủ động) thiết lập động cơ ở đúng vị trí để chọn Quá trình xác định như vậy được biết đến như là phép tính ngược hay chính là giải động học ngược robot Và ở trường hợp hai, nếu chúng ta biết các góc của khâu chủ động (ví dụ, chúng ta đã đọc các giá trị của bộ mã hoá động cơ), chúng ta cần xác định vị trí của cơ cấu chấp hành, quá trình xác định như vậy được biết giải động học thuận robot Ở đây, để robot có thể chạy theo bất cứ hành trình nào mà người sử dụng cài đặt bằng bằng các mã đơn giản do hệ thống quy định (tức là chạy theo tọa độ điểm đươc cài đặt trước), ta cần quá trình giải động học ngược robot

• Thứ hai, để thuận tiện cho người vận hành ta cần tạo ngôn ngữ dạy học cho robot hay có thể gọi là ngôn ngữ dùng để giao tiếp giữa người vận hành với hệ thống điều khiển của robot, sao cho hệ thống có thể chạy theo bất cứ hành trình nào mà người vận hành cài đặt mà không cần can thiệp chỉnh sửa phần mềm điều khiển

• Thứ ba, tìm được tọa độ vật thể đang di chuyển trên băng tải thông qua phương trình bắt điểm bằng các tham số lấy từ camera và robot như tọa độ ban đầu của robot, tọa độ ban đầu của vật thể trên băng tải, vận tốc tương đối của robot, từ đó robot vẫn bắt được vật thể ở vị trí bất kỳ trên băng tải rộng dù băng tải không dừng Giúp ta tăng tốc độ cho dây chuyền sản suất bằng cách tạo cho Robot và băng tải hoạt động song song nhau tức là robot vẫn bắt được vật thể trên băng tải

dù băng tải đang hoạt động thông qua tọa độ điểm tìm được

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Trong chương này, ta đã khái quát tổng quát về robot song song, trình bày một

số loại robot song song thông dụng và ứng dụng của nó trong thực tế Đồng thời, ta cũng đã nêu bật các tính năng khác biệt, cải tiến vượt trội của robot Delta so với các robot song song thông thường khác Trên cơ sở tham khảo các đề tài nghiên cứu liên quan về đề tài robo Delta, ta đề ra hướng nghiên cứu cho đề tài như sau: nghiên cứu động học, xây dựng mô hình robot song song dựa trên các kích thước khâu động đã xác lập và cuối cùng thiết kế một hệ thống điều khiển robot Delta

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

2.1 PHÂN TÍCH CẤU TRÚC ROBOT DELTA

2.1.1 Lựa chọn cấu trúc

Hình 2.1 Cấu trúc Robot Delta

Để khâu thao tác có thể di chuyển được trên mặt phẳng thẳng đứng yêu cầu ít nhất sẽ phải có 2 bậc tự do cho việc di chuyển Tuy nhiên, nếu chỉ với hai bậc tự do kia thì đối tượng sẽ phải di chuyển đến vị trí thích hợp mới có thể đảm bảo thực hiện chức năng, như vậy yêu cầu tính linh hoạt của robot trong việc tiếp cận (việc vào / ra mặt phẳng làm việc) thì yêu cầu thêm 1 bậc tự do nữa, nên ta chọn cấu trúc robot Delta 3 bật

• Có 3 chân bị động, mỗi chân sử dụng một cấu trúc hình bình hành

Robot có 12 khớp cầu, mỗi cơ cấu hình bình hành có 4 khớp cầu, để liên kết giữa 2 chân chủ bị động với 2 thanh nối

2.1.2 Cơ cấu dẫn động của động cơ

Cơ cấu dẫn động của động cơ gồm 3 chân chủ động được dẫn động trực tiếp bởi

3 động cơ và được gắn với các thanh nối để truyền chuyển động cho cơ cấu chấp hành làm việc, nó nằm vị trí số (1) ở hình 2.1

Hình 2.2 Cơ cấu dẫn động trực tiếp

2.1.3 Hệ khớp dẫn động

Hình 2.3 Hệ khớp dẫn động

Hệ khớp động ta sử dụng khớp cầu Khớp cầu giúp cho việc liên kết giữa các khâu của robot (khâu robot gồm: các khâu động, khâu bị động, bàn máy động) tạo nên hình dáng và chuyển động cơ bản của robot Khớp cầu nằm ở vị trí số (2) ở hình 2.1

2.1.4 Hệ hình bình hành

Hình 2.4 Hệ hình bình hành

Hệ hình bình hành tạo sự định hướng của nền dưới được song song với bề mặt làm việc (bảng, băng tải và vv), giúp robot đảm bảo được số bật tự do cần thiết Hệ bình hành nằm ở vị trí số (3) ở hình 2.1

2.1.5 Gá động cơ

Gá động cơ được sử dụng để cố định động cơ trong cơ cấu, đảm bảo cho động cơ không bị xê dịch trong quá trình hoạt động Gá động cơ nằm ở vị trí số (4) ở hình 2.1

Hình 2.5 Gá động cơ

2.1.7 Bơm hút chân không

Bơm hút chân không giúp tăng tốc độ gắp vật thể và không làm cho vật thể bị biến dạng trong quá trình thực hiện hút Bơm hút chân không nằm ở vị trí số (6) ở hình 2.1

Hình 2.8 Bơm hút chân không

2.2 PHÂN TÍCH CẤU TRÚC BĂNG TẢI

Hình 2.9 Cấu trúc của băng tải

2.2.1 Đĩa xích

Hình 2.10 Đĩa xích

Do mục đích chỉ là muốn truyền động từ động cơ sang băng tải, do đó ta chọn tỷ

số truyền là 1-1, do đó dùng 2 đĩa xích kích thước và số răng giống nhau, đó là líp xe máy, dễ dàng mua ở phụ tùng xe máy với giá rất rẻ, mà độ bền cao Đĩa xích nằm ở vị trí số (1) ở hình 2.9

2.2.2 Bộ truyền xích

Hình 2.11 Bộ truyền xích

Như ở phần 2.1.1, do dùng đĩa xích là líp xe máy nên ta cũng dùng dây xích của

xe máy, dễ dàng mua được với giá rẻ và độ bền cao Mặc khác, dùng bộ truyền xích mà không dùng bộ truyền đai là vì băng tải đi với tốc độ chậm và đặc biệt là tỷ số truyền phải ổn định nếu không thì robot sẽ gắp không chính xác sản phẩm, nếu dùng bộ truyền

đai, hiện tượng trượt đai sẽ làm cho tỷ số truyền không ổn định Bộ truyền xích nằm ở

2.2.4 Gá cơ cấu chấp hành

Dùng để gá Líp với trục tang của cơ cấu

Hình 2.13 Gá cơ cấu chấp hành

Chi tiết này dùng để gắn đĩa xích vào trục của tang băng tải, dễ dàng tháo lắp khi

có sự cố hoặc thay thế, nhưng chi tiết này gia công trên máy CNC nên rất tốn kém Nó nằm ở vị trí số (4) ở hình 2.9

2.2.5 Ống tang Φ 42 mm

Hình 2.14 Ống tang Φ 42 mm

Do đồ án thực chất chỉ là mô hình, không chạy lâu dài như trong công nghiệp nên ống tang băng tải, chúng em tận dụng nhựa PVC và đúc xi măng ở trong, nó có độ cứng tương đương với tang băng tải thật, do tang băng tải bằng kim loại trong công nghiệp khá đắt tiền Ống tang nằm ở vị trí số (5) ở hình 2.9

2.2.6 Gá hộp Camera

Hình 2.15 Gá hộp Camera

Gá hộp Camera giúp cố định hộp camera với băng tải, giúp cho camera trong quá trình hoạt động của hệ thống không bị rung lắc Gá hộp camera nằm ở vị trí số (6) ở hình 2.9

2.4 THIẾT KẾ BĂNG TẢI

• Chọn băng tải có kích thước 1000x300 mm